Suche nach Dunkler MAterie - Physikalisches Institut Heidelberg
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Suche nach Dunkler Materie Seminarvortrag „Schlüsselexperimente der Teilchenphysik“ Julian Emmerich 09.07.2014 Julian Emmerich 1 Gliederung • • • • • 1. Hinweise auf Dunkle Materie 2. Erklärungsversuche 3. Mögliche Formen von Dunkler Materie 4. Suche nach Dunkler Materie 5. Zusammenfassung 09.07.2014 Julian Emmerich 2 Gliederung • • • • • 1. Hinweise auf Dunkle Materie 2. Erklärungsversuche 3. Mögliche Formen von Dunkler Materie 4. Suche nach Dunkler Materie 5. Zusammenfassung 09.07.2014 Julian Emmerich 3 1. HINWEISE AUF DUNKLE MATERIE 09.07.2014 Julian Emmerich 4 1. Hinweise auf Dunkle Materie • • • • Gravitationslinseneffekt Rotationskurven von Spiralgalaxien Dynamik von Galaxienhaufen Mikrowellenhintergrund 09.07.2014 Julian Emmerich 5 1. Hinweise auf Dunkle Materie Gravitationslinseneffekt Als er nach seiner Reaktion gefragt wurde, wenn die ART durch Eddington nicht bestätigt worden wäre, meinte Einstein spaßhaft: „Das hätte mir leid getan für den lieben Gott – die Theorie ist korrekt“. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:1919_eclipse_positive.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 6 1. Hinweise auf Dunkle Materie Gravitationslinseneffekt http://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationslinseneffekt#mediaviewer/Date i:Gravitationslinse.gif http://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationslinseneffekt#mediaviewer/Datei:Gravi tationslinse.gif 09.07.2014 Julian Emmerich 7 1. Hinweise auf Dunkle Materie Gravitationslinseneffekt http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/A_Cosm ic_Magnifying_Glass__Hubble_Space_Telescope_Center_Image_PR00-08.jpg 09.07.2014 http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1990/20/image/a/ Julian Emmerich 8 http://www.raumfahrer.net/news/images/ngc6744_eso_big.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 9 1. Hinweise auf Dunkle Materie Rotationskurven von Spiralgalaxien Theorie: Innerhalb Galaxiekern: http://de.wikipedia.org/wiki/Spiralgalaxie#mediaviewer/Datei:GalacticRotation2.svg Außerhalb Galaxiekern: Tatsächliche Messung ergibt: 10 09.07.2014 Julian Emmerich 1. Hinweise auf Dunkle Materie Dynamik von Galaxienhaufen Masse von Galaxienhaufen zu gering, um deren Dynamik erklären zu können http://www.welt.de/wissenschaft/weltraum/article107809845/Dunkle-Materieverbindet-Galaxienhaufen.html 09.07.2014 Julian Emmerich 11 1. Hinweise auf Dunkle Materie Mikrowellenhintergrund http://www.astropage.eu/news2/news_794.jpg . http://blog.pikarl.de/wp-content/uploads/2009/12/mbr.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 12 2. ERKLÄRUNGSVERSUCHE 09.07.2014 Julian Emmerich 13 2. Erklärungsversuche • Entweder: Theorie zur Gravitation falsch • Oder: Existenz von nicht sichtbarer, aber gravitativ wechselwirkender Materie -> Dunkle Materie 09.07.2014 Julian Emmerich 14 2. Erklärungsversuche Dunkle Materie 70% dunkle Energie 90% dunkle Materie 30% Materie 10% gewöhnliche Materie nur etwa 3% sind gewöhnliche (baryonische) Materie! 09.07.2014 Julian Emmerich 15 3. MÖGLICHE FORMEN DUNKLER MATERIE 09.07.2014 Julian Emmerich 16 3. Mögliche Formen Dunkler Materie • Baryonische Dunkle Materie – Gaswolken/Staubwolken – MACHOs • Nichtbaryonische Dunkle Materie – heiße Dunkle Materie – kalte Dunkle Materie 09.07.2014 Julian Emmerich 17 3. Mögliche Formen Dunkler Materie Baryonische DM - Gaswolken • Nur kalte Gas-/Staubwolken kämen in Frage, da diese kaum Strahlung emittieren • Auch große Gaswolken zu geringe Masse • Staubwolken würden Licht von anderen Sternen reemittieren und im IR strahlen 09.07.2014 Julian Emmerich 18 3. Mögliche Formen Dunkler Materie Baryonische DM - MACHOs • MACHOs (Massive astrophysical compact halo objects – Himmelskörper, in dem der Druck zu gering für Kernfusion ist z.B. brauner Zwerg -> Baryonische DM generell schlechter Kandidat, da sie em wechselwirkt und sichtbar wäre 09.07.2014 Julian Emmerich 19 3. Mögliche Formen Dunkler Materie NICHT-baryonische DM • Hot Dark Matter: Neutrinowolken – Vorteil: Existenz geklärt – Nachteil: Neutrinos nahezu masselos • Cold Dark Matter: massive „Kalte Teilchen“ 09.07.2014 Julian Emmerich 20 3. Mögliche Formen Dunkler Materie NICHT-baryonische DM • Cold Dark Matter: – WIMPS(Weakly Interacting Massive Particles) • Anforderungen: – Nur schwache WW -> nicht sichtbar – Massebehaftetes Teilchen -> Hohes gravitatives Potential – Stabiles Teilchen • Problem: – Standardmodell kennt solche Teilchen nicht – > Suche nach neuen Teilchen außerhalb des SM – > Supersymmetrie 09.07.2014 Julian Emmerich 21 3. Mögliche Formen Dunkler Materie SUSY-Teilchen • Jedes Teilchen besitzt supersymm. Partner http://pferd-doc.com/html/assets/images/bild_mikroskope_SUSYspectrum.gif 09.07.2014 Julian Emmerich 22 3. Mögliche Formen Dunkler Materie WIMP-Kandidaten • Neutralino: Überlagerungszustand verschiedener SUSY-Bosonen • Masse typ. 50-200 GeV/c² (Vergleich Proton 0,94 GeV/c²) http://www.particlezoo.net/custom_particles/custom_particles.html 09.07.2014 Julian Emmerich 23 4. SUCHE NACH DUNKLER MATERIE 09.07.2014 Julian Emmerich 24 4. Suche nach Dunkler Materie • Drei grundsätzlich verschiedene Arten der Suche – Teilchenproduktion an Beschleunigern – Annihilation von Neutralinos – Wechselwirkung von Neutralino mit Materie 09.07.2014 Julian Emmerich 25 4. Suche nach Dunkler Materie Teilchenproduktion an Beschleunigern • Erste Experimente am LHC zur Erzeugung von Neutralino-Paaren http://1.bp.blogspot.com/_fqaF_pBXjbU/TFvC1B1XpCI/AAAAAAAAAHU/cfuaQHcOLU/s1600/gluino_prod.gif 09.07.2014 Julian Emmerich 26 4. Suche nach Dunkler Materie Annihilationsprozesse http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/aug/23/pamelareasserts-positron-excess http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1d/PAMELAo nResurs-DK.jpg/310px-PAMELAonResurs-DK.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 27 4. Suche nach Dunkler Materie Annihilationsprozesse • Annihilationsprozess: • Spektrometer von PAMELA, gebaut in Siegen 09.07.2014 Julian Emmerich 28 4. Suche nach Dunkler Materie LUX, XENON 09.07.2014 Julian Emmerich 29 4. Suche nach Dunkler Materie LUX, XENON 09.07.2014 Julian Emmerich 30 4. Suche nach Dunkler Materie LUX, XENON • Wie filtert man DM-Ereignisse heraus? – Möglichst wenige Fremdereignisse, Schirmung – Elektronen, Photonen ergeben anderes S1/S2-Muster – Neutronen können mehrfach stoßen, WIMPS stoßen nur einmal • Theoretisch Nachweis nun durchführbar, allerdings Wirkungsquerschnitt extrem klein, ca. 10-20 b !!! 09.07.2014 Julian Emmerich 31 4. Suche nach Dunkler Materie LUX http://www.indiatimes.com/boyz-toyz/extra-large/large-underground-xenon-luxdark-matter-detector-finds-nothing-109464.html 09.07.2014 Julian Emmerich 32 4. Suche nach Dunkler Materie LUX http://news.sciencemag.org/sites/default/files/styles/thumb_article_l/public/media /sn-luxresults.jpg?itok=5_UUV8in 09.07.2014 Julian Emmerich 33 4. Suche nach Dunkler Materie LUX http://www.indiatimes.com/boyz-toyz/extra-large/large-underground-xenon-luxdark-matter-detector-finds-nothing-109464.html 09.07.2014 Julian Emmerich 34 4. Suche nach Dunkler Materie XENON http://www.physik.uzh.ch/groups/groupbaudis/xenon/p/xenon100_group.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 35 4. Suche nach Dunkler Materie XENON http://www.physik.uzh.ch/groups/groupbaudis/xenon/p/xenon100_group.jpg 09.07.2014 Julian Emmerich 36 http://www.physics.ucdavis.edu/svoboda/lux/experiment_sig.html 09.07.2014 Julian Emmerich 37 4. Suche nach Dunkler Materie Ergebnisse http://xenon.astro.columbia.edu/images/xenonrun10_limit.png 09.07.2014 Julian Emmerich 38 5. Zusammenfassung Schicksal des Universums hängt von der Menge der Dunklen Materie ab Viel Dunkle Materie 09.07.2014 Kritische Dichte Nicht genug Dunkle Materie Julian Emmerich 39 5. Zusammenfassung Scheinbar ist die Ausdehnung des Universums sogar beschleunigt! Nicht genug DM Dunkle Energie? 09.07.2014 Julian Emmerich 40 5. Zusammenfassung • Wir wissen nicht, wonach wir genau suchen sollen • Wir wissen nicht, wie wir danach suchen sollen • … und gefunden haben wir auch noch nichts 09.07.2014 Julian Emmerich 41 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit 09.07.2014 Julian Emmerich 42 4. Suche nach Dunkler Materie Ergebnisse Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München 50-Jahr Feier, MPI Physik, 2. Juli 2008, München Geheimnis der dunklen Materie Das Geheimnis der. 09.07.2014 Julian Emmerich 43